GPS信号捕获的MATLAB_FPGA仿真

由于C/A码长lms，所以至少要用lms的电文来捕获，但在实际中，1ms的电文仍有可能发生导航点相位偏移。因此，使用两组连续的10ms电文来捕获，就保证了在某一组电文中未含有相位偏移。

我们将一个信号分为10段，每段则对应与一个CA码片。C/A码是由两个10级反馈移位寄存器构成的Gold码产生。其特征多项式分别为：

CA码的自相关性如图5所示。

图1 CA码的自相关性图

从图1可见，CA码具有良好的自相关性，将相关峰采样化后就可以通过前面介绍的搜峰的方法得到相关峰。

1仿真结论分析

    将产生的GPS信号送入本地接收机，根据图3提供的接收方法进行接收。此外，考虑在实际中，接收到信号的多普勒频率偏移一般在，所以，在本仿真中，我们设置频率搜索的范围上下限为，搜索的步进为。

    下面的仿真结果为C/A码相位捕获结果，其

中峰值的坐标代表捕获得到的C/A码相位抽样码片值。其峰值的坐标分别代表载波频率捕获的值。

    图6，图7是SNR=-10db的时候的捕获情况。

图7 信噪比在-10db下的捕获效果

图8，图9是SNR=-15db的时候的捕获情况。

图8 信噪比在-15db下的三围捕获效果

图9 信噪比在-15db下的捕获效果

图10，图11是SNR=-20db的时候的捕获情况。

图10 信噪比在-20db下的三围捕获效果

图11 信噪比在-20db下的捕获效果

通过上面仿真，可以看到在低信噪比条件下，通过运算，系统还能够捕获GPS信号。相关峰的值与均值的比值较小，噪声毛刺较大，相比较零噪声时的虚部较小结果，强噪声情况下相关结果虚部变大，这说明随着噪声的增强，捕获的概率在逐渐减小，虚警概率在逐渐增加。

    上面的相关峰仿真结果，将其展开，可以看到其峰值如下所示。

图12 相关峰放大效果图

这里的相关峰，即通过前面加窗的方法进行搜峰，即可得到相关峰的峰值幅度和位置。这个算法主要是在FPGA的实现过程中使用，而在MATLAB中，只要用max函数就能实现最大值的求解。

2基于FPGA的算法硬件实现

2.1基于FPGA的系统的设计与实现

    基于FPGA的基本结构框图如图14所示。

图14 基于FPGA的实现结构

基于FPGA的系统主要包括GPS信号发送模拟模块，C/A码相乘模块，FFT模块，延迟模块，峰值搜索模块以及控制器模块。

基于FPGA的系统主要包括GPS信号发送模拟模块，C/A码相乘模块，FFT模块，延迟模块，峰值搜索模块以及控制器模块。

   发送模块比较简单，其仿真效果如图15所示。

图15 GPS发送信号

    对于延迟模块，主要就是将输进的信号以1ms为间隔进行延迟，从而分为不同1ms间隔的10个时间阶段，然后对这些10个不同的信号进行加减运算，然后将运算结果进行FFT变化，从而实现低信噪比环境下GPS信号的捕获。延迟模块的仿真结果如图16所示。

图16 延迟模块仿真图

    对于CA码生成模块，这里的做法是将在MATLAB中得到的1023长度的CA码预先存储在ROM中，然后在FPGA中通过地址累加调用ROM中的数据从而实现CA产生模块。

图17 C/A码产生模块

对于FFT，这里采用的xilinx的IP核模块，由于本课题需要的是计算1024点的FFT和IFFT，所以设置NFFT为“01010”，进行FFT运算时，设置FWD_INV为“1”，当进行IFFT时，FWD_INV为“0”。在IP核设计时，如果选择在计算过程中进行中间数据的缩减，那么SCALESCH信号才可以起作用，这里不使用IP核的这个功能。计算点数选择“1024”，实现方式为“Radix-4，Burst I/O”，精度输入数据和相位因子存储都选择16位。FFT变换的仿真结果如图18所示。

图18 FFT仿真波形图

从图18的仿真结果可以看到，当系统通过FFT变化以后，就会得到相关峰，然后只要对相关峰进行搜峰操作就能够得到GPS信号的多普勒频率偏移，C/A码片相位偏移值，从而完成GPS信号的捕获功能。

对于搜索相关峰模块，其算法即采用图4介绍的加窗进行搜索相关峰完成搜索。